Biosintesi degli acidi grassi

Transcript

1 Biosintesi degli acidi grassi

2 La capacità degli organismi di biosintetizzare diverse molecole lipidiche è essenziale Le vie metaboliche di biosintesi dei lipidi sono endoergoniche e riduttive, necessitano di equivalenti riducenti di solito sotto forma di NADPH 1) Biosintesi di acidi grassi 2) Incorporazione degli acidi grassi nei triacilgliceroli 3) Incorporazione degli acidi grassi nei fosfolipidi di membrana 4) Biosintesi del colesterolo

3 La biosintesi e la degradazione degli acidi grassi sono vie diverse, catalizzate da enzimi diversi in compartimenti cellulari diversi La biosintesi utilizza l intermedio a 3 C malonil-coa, che NON prende parte alla via catabolica. Il malonil-coa si forma a partire da acetil-coa e bicarbonato in una reazione irreversibile catalizzata dalla acetil-coa carbossilasi. L acetil-coa carbossilasi possiede 3 subunità funzionali (nei mammifero è un UNICO polipeptide) e contiene come gruppo prostetico la biotina.

4 Biosintesi degli acidi grassi La biosintesi degli acidi grassi è fondamentale per la cellula essendo gli acidi grassi costituenti dei trigliceridi e dei lipidi di membrana. Infatti: gli esseri umani possono immagazzinare solo poche centinaia di grammi di glicogeno, nei muscoli e nel fegato, sufficienti a fornire energia per sole 12 ore; un individuo di 70 Kg possiede 12 Kg di trigliceridi che possono fornire energia anche per 8 settimane; ogni volta che i carboidrati vengono consumati in eccesso rispetto alle necessità vengono trasformati in trigliceridi che possono essere conservati in forti quantità nelle cellule adipose, specialmente nel sottocutaneo e nella cavità addominale. La biosintesi dei trigliceridi è un processo metabolico molto attivo che nell uomo ha luogo prevalentemente nel fegato. Anche i lipidi polari (fosfolipidi, sfingolipidi) devono essere continuamente sintetizzati poiché le membrane subiscono un processo continuo di turnover.

5 da: Nelson & Cox L insulina,ormone anabolico,favorisce l immagazzinamento dell energia nelle molecole di riserva. L eccesso di combustibile(rispetto alle potenzialità del ciclo di Krebs )viene normalmente immagazzinato nei triacilgliceroli. (Solo in caso di diabete la insulina o non c è o non entra nelle cellule,mancando l ossalacetato, l Acetil-CoA va verso i corpi chetonici inducendo la chetosi diabetica)

6 Biosintesi degli acidi grassi:una via anabolica La biosintesi degli acidi grassi ha luogo mediante la condensazione di unità C 2, con un processo inverso rispetto a quello della b-ossidazione. Tuttavia, la biosintesi degli acidi grassi ha luogo attraverso a) una via diversa dalla b-ossidazione; b) con enzimi diversi; c) in un compartimento cellulare diverso. Infatti: a) la biosintesi degli acidi grassi è una biosintesi riduttiva: richiede ATP e NADPH; b) l enzima è il complesso dell acido grasso sintasi; c) la biosintesi degli acidi grassi ha luogo nel citosol, mentre la b-ossidazione nei mitocondri.

7 Confronto fra la via di degradazione e la via di biosintesi degli acidi grassi Voet,2 ed.

8 Carbossilazione dell acetil CoA La reazione avviene in 2 tappe: 1) Il gruppo carbossilico del bicarbonato viene trasferito alla biotina in una reazione che richiede ATP 2) La biotina serve da trasportatore temporaneo della CO 2 che viene trasferita all acetil-coa, producendo malonil-coa La carbossilazione dell acetil CoA è sia la tappa che limita la velocità sia quella soggetta a regolazione

9 Gli acidi grassi vengono sintetizzati mediante una sequenza di reazioni ripetute costituita da 4 tappe. In ogni passaggio attraverso le 4 reazioni la catena si allunga di 2 C. Quando la catena raggiunge i 16 C (palmitato) viene liberata. Tutte le reazioni della biosintesi sono catalizzate da un complesso multienzimatico, la acido grasso sintasi, una proteina multifunzionale che utilizza 2 gruppi SH per formare legami con il malonil-coa e l acetil- CoA.

10 Il complesso dell acido grasso sintasi possiede 6 subunità che cooperano per realizzare la sintesi degli acidi grassi a partire da malonil-coa ed acetil-coa. Gli intermedi che si formano durante la biosintesi restano legati covalentemente ad uno dei due gruppi tiolici del complesso. I 2 gruppi tiolici che partecipano alla reazione sono: quello di un residuo di Cys il gruppo SH della proteina trasportatrice di acili (ACP).

11 La proteina che trasporta gli acili (ACP) è una piccola proteina che contiene il gruppo prostetico 4-fosfopanteteina legato covalentemente alla catena laterale di un residuo di Ser. Il gruppo SH è il sito in cui entrano i gruppi malonilici durante la sintesi degli acidi grassi. Il gruppo prostetico dell ACP ha la funzione di braccio flessibile per ancorare le catene di acido grasso in via di allungamento sulla superficie della acido grasso sintasi.

12 Per iniziare il processo biosintetico, i gruppi tiolici dell acido grasso sintasi devono essere legati con i gruppi acilici corretti. Il gruppo acetilico dell acetil-coa si lega al residuo di Cys dell enzima, mentre il malonato del malonil-coaal gruppo SH dell ACP.

13 1) Condensazione tra i gruppi attivati acetilico e malonilico per formare il gruppo acetoacetilico legato all ACP. Contemporaneamente si libera una molecola di CO 2. In questa reazione l accoppiamento con la decarbossilazione del gruppo malonilico rende il processo complessivamente esoergonico

14 2) Riduzione del gruppo carbonilico. L acetoacetil ACP si riduce sul gruppo carbonilico (C-3) formando il D-b-idrossibutirril-ACP. Il donatore di elettroni è il NADPH

15 3) Deidratazione. Viene rimossa una molecola d acqua tra i C-2 e C-3 del D-bidrossibutirril-ACP, per formare un doppio legame (trans-d 2 -butenoil-acp)

16 4) Riduzione del doppio legame. Il doppio legame del trans-d 2 -butenoil-acp viene saturato generando butirril-acp. Il donatore di elettroni è il NADPH

17 Il gruppo butirrilico viene quindi trasferito dal gruppo SH della fosfopanteina a quello del residuo di Cys, che era prima stato occupato dall acetile. Può quindi ricominciare un altro ciclo di reazioni per l allungamento della catena.

18 Nel secondo ciclo di reazioni il gruppo butirrilico appena formato (legato al residuo di Cys) condensa con un gruppo malonilico che si è legato al gruppo SH della fosfopanteina. Il gruppo carbossilico del malonile viene eliminato come CO 2. Si formerà al termine delle 4 reazioni un acile saturo a 6 C.

19 Per produrre palmitato sono necessari 7 cicli di reazioni di condensazione e di riduzione. A questo punto l acile viene staccato dall ACP. La biosintesi di palmitato richiede acetil-coa, ed energia chimica sotto forma di ATP e potere riducente sotto forma di NADPH.

20 Bilancio energetico della biosinesi degli acidi grassi Reazione dell acido grasso sintasi acetil CoA + 7 malonil CoA + 14 NADPH + 14 H + CH 3 (CH 2 ) 14 COO CO CoA-SH + 14 NADP H 2 O Reazione dell acetil CoA carbossilasi 7 acetil CoA + 7 CO ATP + (7 H 2 O) 7 malonil CoA + 7 ADP + 7 Pi Somma 8 acetil CoA + 14 NADPH + 14 H ATP + (H 2 O) CH 3 (CH 2 ) 14 COO CoA SH + 7 ADP + 7 Pi + 14 NADP + 6 H 2 O

21 Energia richiesta da questa biosintesi riduttiva: 1) sotto forma di ATP nella reazione della citrato liasi per creare il legame tioestere tra CoA e gruppo acetile nella reazione dell acetil CoA carbossilasi per attaccare CO 2 all acetil CoA; 2) sotto forma di potere riducente (NADPH) per le reazioni di ossidoriduzione NADPH deriva: dalla reazione dell enzima malico (malico DH decarbossilante) negli adipociti malato + NADP + piruvato + CO 2 + NADPH + H + (reazione anaplerotica del ciclo di Krebs) dalla via dei pentosofosfati molto attiva nel fegato e nella ghiandola mammaria;

22

23

24 Allungamento della catena La catena del palmitato può essere ulteriormente allungata aggiungendo una unità a due atomi di C, nel reticolo endoplasmatico e nei mitocondri Il trasportatore di acili è il CoA e non l ACP, per il resto il processo di allungamento è identico a quello usato nella sintesi del palmitato L encefalo ha altre capacità di allungamento che permettono la produzione di acidi grassi a catena molto lunga per la sintesi dei lipidi encefalici

25 Insaturazione delle catene di AG Nel reticolo endoplasmatico degli epatociti (nei mammiferi) sono presenti gli enzimi (desaturasi) responsabili dell insaturazione degli AG, cioè la formazione di doppi legami cis Questi enzimi sono ossidasi a funzione mista e richiedono NADH o NADPH e O 2 Negli esseri umani manca la capacità di aggiungere doppi legami tra il C-9 e l estremità v delle catene Ecco perché gli acidi grassi essenziali linoleico e linolenico devono assolutamente provenire dalla dieta

26 Nei mammiferi il complesso dell acido grasso sintasi è presente solo nel citosol. Questa localizzazione separa le reazioni del processo biosintetico da quele del processo degradativo. Mitocondri La sintesi degli acidi grassi avviene nel compartimento in cui è disponibile la maggiore quantità di NADPH (rapporto [NADPH]/[NADP + ] alto)

27 Il valore del rapporto [NADPH]/[NADP + ] negli epatociti è molto alto nel citoplasma, e fornisce quindi un adeguato apporto di equivalenti riducenti per le biosintesi riduttive. Il valore del rapporto [NADH]/[NAD + ] nel citosol è di norma molto più basso, in questo modo il catabolismo glucidico può avvenire contemporaneamente e nello stesso compartimento della sintesi degli AG. Il valore del rapporto [NADH]/[NAD + ] nei mitocondri è più alto rispetto al citosol, a causa del flusso di elettroni che arrivano al NAD + dalla ossidazione di AG, AA, piruvato ed acetil-coa. Questo favorisce la catena respiratoria e la riduzione dell ossigeno.

28 Negli adipociti ed epatociti il NADPH citosolico è generato dalla via del pentosio fosfato e dall enzima malico, che catalizza la conversione di malato a piruvato. Il piruvato rientra poi nel mitocondrio.

29

30 Regolazione dell acetil CoA carbossilasi Attivatore allosterico dell enzima Inibitore della carnitina aciltrasferasi I Inibitore retroattivo dell enzima L acetil CoA carbossilasi è la tappa di controllo della biosintesi degli acidi grassi. Quando nei mitocondri acetil CoA e ATP aumentano, viene esportato il citrato che è a)precursore dell acetil CoA citosolico; b) attivatore della acetil carbossilasi. c)modulatore allosterico negativo della PFK1 glicolitica

31 Regolazione dell acetil CoA carbossilasi L acetil-coa carbossilasi è regolata allostericamente ed attraverso reazioni di fosforilazione (inattivazione) reversibile indotte dagli ormoni adrenalina e glucagone L insulina stimola la defosforilazione della carbossilasi e quindi la sua attivazione L attività della carbossilasi è anche influenzata dalla dieta/espressione genica (regolazione a lungo termine)

32 La coordinazione del metabolismo degli AG è operata dagli enzimi acetil- CoA carbossilasi (ACC) e carnitina aciltrasferasi I (cai) Glicemia alta: 1) rilascio di insulina; 2) attivazione ACC (defosforilazione); 3) formazione malonil-coa; 4) inibizione cai; Abbassamento glicemia: 5) rilascio glucagone; 6) inattivazione ACC (fosforilazione); 7) ingesso AG nella matrice; 8) ossidazione AG.

33 Relazioni tra il metabolismo del glucosio e la sintesi del palmitato

34